PLC和模糊PID在退火爐溫控系統(tǒng)中的應用

王 艷 ，劉承林 ，司長策

（1.天津復雜系統(tǒng)控制理論與應用重點實驗室，天津 300384；2.天津理工大學 自動化學院，天津 300384；3.天津市斯科諾熱能技術有限公司，天津300384）

隨著工業(yè)現(xiàn)代化以及計算機控制技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的加熱爐電氣控制所采用的繼電器控制技術必然要被基于計算機技術的PLC控制技術所取代。而且PLC本身具有可靠性高、易操作和高靈敏度的優(yōu)點[1]。根據(jù)某廠項目要求，結合該加熱爐容積大，溫度控制變量多等特點，設計了采用西門子S7-200系列PLC和模糊PID控制技術來控制加熱爐的溫度控制系統(tǒng)。

1 工藝簡介

1.1 基本功能

本設計要求系統(tǒng)的基本功能為：上位機部分可方便、直觀、實時地監(jiān)控爐溫，有報警功能，可自由地設定各時間段的溫度，對工作情況有記憶功能。

1.2 參數(shù)要求

根據(jù)某廠工藝要求，設定退火爐工藝參數(shù)，如表1所示。

表1 退火爐工藝參數(shù)表Tab.1 Annealing furnace parameter list

爐膛分為4個溫區(qū)，每個溫區(qū)安裝一臺燒嘴，并且設定一個溫度采集點。這樣就形成了4個溫度通道。而且每臺燒嘴單獨控制，保證爐膛溫度的均勻性[2]。

2 控制系統(tǒng)基本結構

控制系統(tǒng)由溫度控制、爐壓控制、安全聯(lián)鎖、顯示與報警等多個子系統(tǒng)構成。系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)組成Fig.1 Control system constitute

2.1 自動脈沖燃燒控制系統(tǒng)

脈沖燃燒控制系統(tǒng)，即用脈沖控制器輸出可變脈沖來控制燒嘴的燃燒時間與燃燒時序，具有節(jié)約能源，控溫精度高等優(yōu)點[3]。

溫度控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 溫度控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle diagram of the temperature control system

2.2 爐膛壓力

爐膛壓力也是實現(xiàn)加熱爐自動控制的一個重要參數(shù)。當壓力過高時，煙氣就會從煙囪大量冒出，不僅使大量有效熱量散失，增加了爐子的燃料消耗，而且也易燒壞爐子的鋼結構和爐墻鋼板，降低爐子的使用壽命；壓力過低，又會吸入大量冷風，不僅增加爐子的熱耗，而且會增加工件的氧化燒損。因此，對加熱爐的爐膛壓力一般希望其保持在微正壓。本系統(tǒng)的爐膛壓力經(jīng)壓力傳感器、變送器轉換成4～20 mA模擬電流信號，送到PLC模擬量模塊，PLC根據(jù)PID算法算得的控制信號，經(jīng)模擬量模塊輸出0～10 V電壓信號，控制該段引風機變頻器的輸出，調節(jié)引風機的引風量，控制爐膛的壓力?？稍诮M態(tài)監(jiān)控界面上設定爐膛的壓力，滿足工藝的要求。

2.3 安全聯(lián)鎖及報警

所有設備的運轉狀態(tài)、設備故障均通過工控機系統(tǒng)進行在線監(jiān)控，并以聲光報警方式提示。

3 系統(tǒng)構成

3.1 硬件配置

硬件結構由一臺PLC控制柜、一臺變頻器柜、一臺集中控制操作臺以及現(xiàn)場手動控制盒構成。

3.1.1 PLC主機

本系統(tǒng)采用的是西門子S7-200系列PLC中型號為CPU226的PLC。它具有24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O點，可連接7個擴展模塊。6個獨立的30 kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20 kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力，可完全適應于一些復雜的中小型控制系統(tǒng)[4]。

3.1.2 溫度傳感器

熱電偶是一種感溫元件，它能直接測量溫度，并把溫度信號轉換成熱電動勢信號。本退火爐爐膛最高溫度為700℃，因此采用K型熱電偶。

3.1.3 PLC模塊

本系統(tǒng)選用EM223數(shù)字量16入24VDC/16出24VDC模塊、EM231模擬量熱電偶4輸入模塊、EM235模擬量4輸入/1輸出模塊以及CP243-1以太網(wǎng)模塊[5]。

3.1.4 燒嘴脈沖控制器

燒嘴脈沖控制器可以將控制信號轉換為脈沖信號來實現(xiàn)燒嘴的脈沖燃燒，能夠得到均勻的加熱溫度，同時又能縮短加熱時間。其結構是設置在爐內的溫度傳感器的輸出接PLC內的比較器，比較器的輸出接PLC內的脈沖發(fā)生器，脈沖發(fā)生器的輸出接燒嘴的空氣控制閥。PLC將溫度傳感器檢測到的爐內溫度與預先設定的溫度進行比較，如果前者較小，PLC即輸出正脈沖，使得燒嘴的空氣控制閥開啟程度變大，燒嘴噴出的火焰即增大；反之，如果前者較大，PLC即輸出負脈沖，使得燒嘴噴出的火焰即減小。燒嘴工作于開/閉或大火/小火的脈沖加熱方式，能夠達到最佳的燃燒狀態(tài)，節(jié)省燃氣和減小污染排放[6]。

3.1.5 變頻器

變頻器采用富士系列變頻器，由于在控制爐膛壓力中應用了變頻調速技術，提高了燃燒效率，并在一定程度上更好地滿足工藝流程的需要，延長了設備的使用壽命。

3.2 軟件設計

3.2.1 下位機軟件設計

西門子S7-200系列PLC采用V4.0 STEP 7 Micro/WIN SP8編程軟件在PC機上編制應用程序，最后下載到該PLC的CPU中。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 PLC程序流程圖Fig.3 Flow chart of program

3.2.2 上位機組態(tài)設計

上位機屏幕可以動態(tài)實時顯示各種信號變化，即人機界面（HMI）[7]，如圖4所示。本系統(tǒng)監(jiān)控級用PC機作為上位機，一方面與企業(yè)的Ethernet信息網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的集中管理；同時，經(jīng)PC/PPI通信電纜與現(xiàn)場控制級的S7-200系列PLC進行PPI協(xié)議通信，實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)控。

圖4 人機組態(tài)界面Fig.4 HMI

3.2.3 模糊PID控制

將溫度對象的偏差和偏差變化率以及輸出量劃分為不同的模糊值，建立規(guī)則。根據(jù)控制查詢表，形成模糊算法。對溫度誤差采樣的精確量模糊化，經(jīng)過數(shù)學處理輸入計算機中，計算機根據(jù)模糊規(guī)則推理做出模糊決策，求出相應的控制量，變成精確量去驅動執(zhí)行機構，調整輸入，達到調節(jié)溫度，使之穩(wěn)定的目的[8]。

要進行模糊PID控制的仿真，首先要建立模糊控制器。模糊控制器的建立分為以下幾個步驟：

（1）模糊控制器的結構選擇

模糊控制器的結構選擇，即確定模糊控制器的輸出輸出變量。單變量二維模糊控制器是最常見的結構形式，本控制器也選取這種結構形式，圖5為利用Matlab中的模糊邏輯工具箱所建立的二維模糊控制器。

圖5 二維模糊控制器Fig.5 Two-dimensional fuzzy controller

（2）定義輸入輸出模糊集及論域

本系統(tǒng)選取誤差e、誤差變化ec作為模糊控制器的輸入變量?？刂屏縰作為模糊PID控制器的輸出變量。這三個變量的模糊集可定義如下：

e、ec 和 u 的 模 糊 集 均 為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大；

并定義它們的論域均為[-3，3]。

（3）定義輸入輸出隸屬函數(shù)

誤差e、誤差變化ec及控制量u的模糊集和論域確定后，需要對模糊變量確定隸屬函數(shù)，即對模糊變量賦值，確定論域內元素對模糊變量的隸屬度。本控制器變量的隸屬度函數(shù)的形狀均選為三角形。

（4）模糊規(guī)則的選取并建立模糊控制表

模糊控制器是模擬人類控制特征的一種語言型控制器，它在某種程度上體現(xiàn)了人的思維方式?？陀^世界中并沒有現(xiàn)成的模糊控制規(guī)則，它需要設計者根據(jù)控制器的結構，從大量的觀察和實驗數(shù)據(jù)中，或者從專家知識與操作熟練的人員的經(jīng)驗中提取，經(jīng)去偽存真，去粗取精的過程，形成一系列模糊條件句描述的模糊控制規(guī)則。模糊控制規(guī)則的提取和選擇往往是一個反復的過程[9]。

在Matlab的模糊邏輯工具箱中，使用Edit/add rule菜單把上述規(guī)則輸入進去并保存。在Matlab的Simulink中構建仿真模型，并加上積分環(huán)節(jié)，就可以實現(xiàn)對溫度控制系統(tǒng)的模糊PID控制仿真[10]。選取與溫度曲線近似的數(shù)學模型，傳遞函數(shù)為：G （s）=仿真時間設為1000 s，得到仿真結果如圖6所示。

圖6 模糊PID控制仿真圖Fig.6 Fuzzy PID control simulation diagram

從模糊PID控制的仿真結果可以看出，采用模糊PID控制時溫度，達到穩(wěn)態(tài)的時間短，無靜態(tài)誤差，效果大大優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制[11]。

4 實測溫度曲線及分析

退火爐使用后，實測溫度曲線如圖7所示。

圖7 退火爐實測溫度曲線Fig.7 Measured temperature curve of annealing furnace

上圖溫度曲線中橫坐標為時刻，縱坐標為1000℃百分比，取升溫階段21：11：00時刻四個溫區(qū)溫度值進行數(shù)據(jù)分析，如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)分析表Tab.2 Data analysis table

分析可得，絕對誤差最大2.2℃，相對誤差最大為0.53%遠遠小于工藝要求，可見該系統(tǒng)具有較好的魯棒性和穩(wěn)定性；溫區(qū)之間最大誤差為4℃，說明該系統(tǒng)有較好的均勻性。

5 結語

根據(jù)天津某廠燃天然氣臺車式退火爐工藝要求，設計出一套基于PLC和模糊PID算法的智能控制系統(tǒng)。在PLC和組態(tài)軟件的基礎上，采用模糊PID控制算法對溫度進行控制，使系統(tǒng)達到了預期的目標。同時，整個系統(tǒng)操作簡單，控制方便，大大提高了系統(tǒng)的實用性。

[1] 西門子PLC在環(huán)形加熱爐的應用[J].科技創(chuàng)新導報，2010（26）：90-90.

[2] 陳建明.電氣控制與PLC應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3] 程志庭，顧志芳.脈沖燃燒控制在臺車式熱處理爐上的應用[J].工業(yè)加熱，2005，34（5）：65-66.

[4] SIMATIC S7-200可編程控制器系統(tǒng)手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[5] 西門子（中國）有限公司.深入淺出西門子S7-200PLC[M].3版.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[6] 賈定，衛(wèi)恩澤，李志堅.脈沖燃燒技術在熱軋不銹鋼加熱爐上的應用[J].鋼鐵技術，2009（5）：60-65

[7] 組態(tài)王6.55使用手冊[M].北京亞控，2010.

[8] 金琨.智能控制[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[9] 蔡自興.智能控制原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2007.

[10]ZHOU Rong-fu.Application of fuzzy-PID complex control in combustion controlsystem[J].Antomation Information，2006，57（1）：75-79.

[11]鄧北川.基于模糊控制的加熱爐溫控系統(tǒng)研究[J].電腦開發(fā)與應用，2007，20（9）：69-71.■